Química Nuclear: história, campo de estudo, áreas, aplicações - Ciência - 2023

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o química nuclear É o estudo das mudanças na matéria e de suas propriedades como resultado dos fenômenos que acontecem no núcleo de seus átomos; não estuda a maneira como seus elétrons interagem ou suas ligações com outros átomos do mesmo elemento ou de elementos diferentes.

Este ramo da química então se concentra nos núcleos e nas energias liberadas quando algumas de suas partículas são adicionadas ou perdidas; que são chamados de núcleos e que, para fins químicos, consistem essencialmente de prótons e nêutrons.

Muitas reações nucleares consistem em uma mudança no número de prótons e / ou nêutrons, que tem como consequência a transformação de um elemento em outro; antigo sonho de alquimistas, que tentavam em vão transformar o metal de chumbo em ouro.

Esta é talvez a característica mais surpreendente das reações nucleares. Porém, tais transformações liberam enormes quantidades de energia, assim como partículas aceleradas que conseguem penetrar e destruir a matéria ao seu redor (como o DNA de nossas células) dependendo de sua energia associada.

Ou seja, em uma reação nuclear, diferentes tipos de radiação são liberados, e quando um átomo ou isótopo libera radiação, diz-se que é radioativo (radionuclídeos). Algumas radiações podem ser inofensivas e até benignas, usadas para combater células cancerosas ou estudar o efeito farmacológico de certos medicamentos por meio de rotulagem radioativa.

Outras radiações, por outro lado, são destrutivas e mortais no mínimo contato. Infelizmente, várias das piores catástrofes da história carregam o símbolo da radioatividade (trevo radioativo, imagem superior).

De armas nucleares aos episódios de Chernobyl e ao azar do lixo radioativo e seus efeitos na vida selvagem, há muitos desastres desencadeados pela energia nuclear. Mas, por outro lado, a energia nuclear garantiria a independência de outras fontes de energia e dos problemas de poluição que causam.

Seria (provavelmente) energia limpa, capaz de abastecer cidades por uma eternidade, e a tecnologia excederia seus limites terrestres.

Para conseguir tudo isso com o menor custo humano (e planetário), programas e esforços científicos, tecnológicos, ecológicos e políticos são necessários para “domar” e “imitar” a energia nuclear de uma forma segura e benéfica para a humanidade e seu crescimento. enérgico.

História da Química Nuclear

Alvorecer

Deixando os alquimistas e sua pedra filosofal no passado (embora seus esforços tenham dado frutos de vital importância para a compreensão da química), a química nuclear nasceu quando o que é conhecido como radioatividade foi detectado pela primeira vez.

Tudo começou com a descoberta dos raios X por Wilhelm Conrad Röntgen (1895), na Universidade de Wurzburg. Ele estava estudando os raios catódicos quando percebeu que eles originavam uma fluorescência estranha, mesmo com o aparelho desligado, capaz de penetrar no papel preto opaco que cobria os tubos em que eram feitos os experimentos.

Henri Becquerel, motivado pelas descobertas dos raios X, desenhou seus próprios experimentos para estudá-los a partir de sais fluorescentes, que escureciam placas fotográficas, protegidas por papel preto, quando eram excitadas pela luz solar.

Descobriu-se acidentalmente (já que o tempo em Paris estava nublado nessa época), que os sais de urânio obscureciam as placas fotográficas, independentemente da fonte de luz que incidisse sobre elas. Ele então concluiu que havia encontrado um novo tipo de radiação: a radioatividade.

Empregos dos cônjuges Curie

O trabalho de Becquerel serviu de fonte de inspiração para Marie Curie e Pierre Curie mergulharem no fenômeno da radioatividade (termo cunhado por Marie Curie).

Assim, buscaram outros minerais (além do urânio) que também apresentassem essa propriedade, constatando que o mineral pechblenda é ainda mais radioativo, e que portanto deve conter outras substâncias radioativas. Como? Ao comparar as correntes elétricas geradas pela ionização das moléculas de gás ao redor das amostras.

Após anos de árduo trabalho de extração e medições radiométricas, ele extraiu os elementos radioativos rádio (100 mg de uma amostra de 2.000 kg) e polônio do mineral pechblenda. Além disso, Curie determinou a radioatividade do elemento tório.

Infelizmente, a essa altura, os efeitos prejudiciais dessa radiação estavam começando a ser descobertos.

As medições de radioatividade foram facilitadas com o desenvolvimento do contador Geiger (tendo Hans Geiger como co-inventor do artefato).

Fracionamento de núcleo

Ernest Rutherford observou que cada radioisótopo tinha seu próprio tempo de decaimento, independente da temperatura, e que variava com a concentração e as características dos núcleos.

Ele também demonstrou que esses decaimentos radioativos obedecem à cinética de primeira ordem, cujas meias-vidas (t_1/2), eles ainda são muito úteis hoje. Assim, cada substância que emite radioatividade possui diferentes t_1/2, que varia de segundos, dias a milhões de anos.

Além de tudo isso, ele propôs um modelo atômico a partir dos resultados de seus experimentos irradiando uma folha muito fina de ouro com partículas alfa (núcleos de hélio). Trabalhando novamente com as partículas alfa, ele conseguiu a transmutação de átomos de nitrogênio em átomos de oxigênio; ou seja, conseguiu converter um elemento em outro.

Ao fazer isso, ficou demonstrado imediatamente que o átomo não era indivisível, e menos ainda quando era bombardeado por partículas aceleradas e nêutrons "lentos".

Campo de estudo

Prática e teoria

Aqueles que decidem fazer parte dos especialistas em química nuclear podem escolher entre vários campos de estudo ou pesquisa, bem como diferentes campos de trabalho. Como muitos ramos da ciência, eles podem se dedicar à prática ou à teoria (ou ambas ao mesmo tempo) em seus campos correspondentes.

Um exemplo cinematográfico é visto em filmes de super-heróis, onde cientistas fazem com que um indivíduo adquira superpoderes (como o Hulk, os quatro fantásticos, o Homem-Aranha e o Doutor Manhattan).

Na vida real (pelo menos superficialmente), os químicos nucleares procuram, em vez disso, projetar novos materiais capazes de suportar uma enorme resistência nuclear.

Esses materiais, como a instrumentação, devem ser indestrutíveis e especiais o suficiente para isolar a emissão de radiação e as enormes temperaturas desencadeadas ao iniciar as reações nucleares; especialmente aqueles de fusão nuclear.

Em teoria, eles podem projetar simulações para primeiro estimar a viabilidade de certos projetos e como melhorá-los com o menor custo e impacto negativo; ou modelos matemáticos que permitem desvendar os mistérios pendentes do núcleo.

Da mesma forma, estudam e propõem formas de armazenar e / ou tratar o lixo nuclear, uma vez que leva bilhões de anos para se decompor e é altamente poluente.

Trabalhos típicos

Aqui está uma pequena lista de trabalhos típicos que um químico nuclear pode fazer:

- Pesquisa direta em laboratórios governamentais, industriais ou acadêmicos.

-Processar centenas de dados por meio de pacotes estatísticos e análises multivariadas.

-Eles dão aulas em universidades.

-Desenvolver fontes seguras de radioatividade para várias aplicações envolvendo o público em geral ou para uso em dispositivos aeroespaciais.

-Técnicas de design e dispositivos que detectam e monitoram a radioatividade no ambiente.

-Garantir que as condições do laboratório são ótimas para o manuseio do material radioativo; que eles até manipulam usando braços robóticos.

-Como técnicos, mantêm dosímetros e coletam amostras radioativas.

Áreas

A seção anterior descreveu em termos gerais quais são as tarefas de um químico nuclear em seu local de trabalho. Agora, um pouco mais é especificado sobre as diferentes áreas nas quais o uso ou estudo de reações nucleares está presente.

Radioquímica

Em radioquímica, o próprio processo de radiação é estudado. Isso significa que ele considera em profundidade todos os radioisótopos, bem como seu tempo de decaimento, a radiação que liberam (alfa, beta ou gama), seu comportamento em diferentes ambientes e suas possíveis aplicações.

Esta talvez seja a área da química nuclear que mais avançou hoje em relação às demais. Ele se encarregou de usar radioisótopos e doses moderadas de radiação de forma inteligente e amigável.

Energia nuclear

Nessa área, os químicos nucleares, em conjunto com pesquisadores de outras especialidades, estudam e projetam métodos seguros e controláveis para aproveitar a energia nuclear produzida pela fissão de núcleos; isto é, de seu fracionamento.

Da mesma forma, propõe-se fazer o mesmo com reações de fusão nuclear, como aquelas que querem domar pequenas estrelas que fornecem sua energia; com o impedimento de que as condições sejam avassaladoras e não haja material físico capaz de resistir a elas (imagine encerrar o sol em uma gaiola que não derrete com o calor intenso).

A energia nuclear pode muito bem ser usada para fins de caridade ou para fins de guerra, no desenvolvimento de mais armas.

Armazenamento e desperdício

O problema que o lixo nuclear representa é muito sério e ameaçador. É por isso que nesta área se dedicam a conceber estratégias para "aprisioná-los" de forma que a radiação que emitem não penetre na sua concha de contenção; concha, que deve ser capaz de resistir a terremotos, inundações, altas pressões e temperaturas, etc.

Radioatividade artificial

Todos os elementos transurânicos são radioativos. Eles foram sintetizados usando diferentes técnicas, incluindo: o bombardeio de núcleos com nêutrons ou outras partículas aceleradas.

Para isso, foram usados aceleradores lineares ou cíclotrons (em forma de D). Dentro delas, as partículas são aceleradas a velocidades próximas às da luz (300.000 km / s) e, então, colidem com um alvo.

Assim, vários elementos radioativos artificiais nasceram, e sua abundância na Terra é nula (embora eles possam existir naturalmente em regiões do Cosmos).

Em alguns aceleradores, o poder das colisões é tal que ocorre uma desintegração da matéria. Ao analisar os fragmentos, que dificilmente podem ser detectados devido ao seu curto tempo de vida, foi possível aprender mais sobre o compêndio de partículas atômicas.

Formulários

A imagem acima mostra duas torres de resfriamento características de usinas nucleares, cuja usina pode abastecer uma cidade inteira com eletricidade; por exemplo, a fábrica de Springfield, onde Homer Simpson trabalha, de propriedade do Sr. Burns.

Em seguida, as usinas nucleares usam a energia liberada pelos reatores nucleares para suprir uma necessidade energética. Esta é a aplicação ideal e promissora da química nuclear: energia ilimitada.

Ao longo do artigo, foi feita menção, implicitamente, a inúmeras aplicações da química nuclear. Outras aplicações não tão óbvias, mas que estão presentes no dia a dia, são as seguintes.

Remédio

Uma técnica para esterilizar o material cirúrgico é irradiá-lo com radiação gama. Isso destrói completamente os microorganismos que eles podem abrigar. Como o processo é frio, certos materiais biológicos, sensíveis a altas temperaturas, também podem ser submetidos a tais doses de radiação.

O efeito farmacológico, a distribuição e a eliminação dos novos medicamentos são avaliados por meio do uso de radioisótopos. Com um detector de radiação emitida, você pode ter uma imagem real da distribuição da droga no corpo.

Essa imagem permite determinar por quanto tempo a droga age em determinado tecido; se não conseguir absorver adequadamente, ou se permanecer dentro de casa por mais tempo do que o adequado.

Preservação de alimentos

Da mesma forma, os alimentos armazenados podem ser irradiados com uma dose moderada de radiação gama. É responsável por eliminar e destruir bactérias, mantendo os alimentos comestíveis por mais tempo.

Por exemplo, um pacote de morangos pode ser mantido fresco mesmo após 15 dias de armazenamento usando esta técnica. A radiação é tão fraca que não penetra na superfície dos morangos; e, portanto, não são contaminados, nem se transformam em "morangos radioativos".

Detectores de fumaça

Dentro dos detectores de fumaça há apenas alguns miligramas de amerício (²⁴¹SOU). Este metal radioativo nessas quantidades exibe radiação inofensiva para as pessoas presentes sob os telhados.

o ²⁴¹Am emite partículas alfa e raios gama de baixa energia, sendo esses raios capazes de escapar do detector. Partículas alfa ionizam as moléculas de oxigênio e nitrogênio no ar. Dentro do detector, uma diferença de voltagem coleta e ordena os íons, produzindo uma leve corrente elétrica.

Os íons acabam em eletrodos diferentes. Quando a fumaça entra na câmara interna do detector, ela absorve partículas alfa e a ionização do ar é interrompida. Consequentemente, a corrente elétrica é interrompida e um alarme é ativado.

Eliminação de pragas

Na agricultura, a radiação moderada tem sido usada para matar insetos indesejáveis nas plantações. Assim, evita-se o uso de inseticidas altamente poluentes. Isso reduz o impacto negativo sobre os solos, as águas subterrâneas e as próprias culturas.

Namoro

Com a ajuda de radioisótopos, a idade de certos objetos pode ser determinada. Nos estudos arqueológicos, isso é de grande interesse, pois permite que as amostras sejam separadas e colocadas em seus tempos correspondentes. O radioisótopo utilizado para esta aplicação é, por excelência, o carbono 14 (¹⁴C). Estát_1/2 Tem 5700 anos e as amostras podem ser datadas até 50.000 anos.

A decadência de ¹⁴C tem sido usado especialmente para amostras biológicas, ossos, fósseis, etc. Outros radioisótopos, como ²⁴⁸Você tem um t_1/2de milhões de anos. Medindo então as concentrações de ²⁴⁸Em uma amostra de meteoritos, sedimentos e minerais, pode-se determinar se tem a mesma idade da Terra.

Referências

Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8ª ed.). CENGAGE Learning.
Frank Kinard. (2019). Nuclear Chemistry. Recuperado de: chemicalexplained.com
Nuclear Chemistry. (s.f.). Recuperado de: sas.upenn.edu
Mazur Matt. (2019). Linha do tempo para a história da química nuclear. Eles precedem. Recuperado de: preceden.com
Sarah E. e Nyssa S. (s.f.). Descoberta de radioatividade. Chemistry LibreTexts. Recuperado de: chem.libretexts.org
Scottsdale, Brenda. (s.f.). Que tipos de trabalhos os químicos nucleares fazem? Trabalho - Chron.com. Recuperado de: work.chron.com
Wikipedia. (2019). Nuclear Chemistry. Recuperado de: en.wikipedia.org
American Chemical Society. (2019). Nuclear Chemistry. Carreiras em Química. Recuperado de: acs.org
Alan E. Waltar. (2003). As aplicações médicas, agrícolas e industriais da tecnologia nuclear. Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico.